CN110579245A - 一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法及监测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器监测技术领域，涉及一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法及监测设备，所述方法包括：布置传感器组件，测量土壤湿度，测量小麦缺水程度指标，测量计算降水量距平，计算待监测区小麦干旱程度指数DRG。本发明基于传感技术，结合土壤湿度、小麦缺水程度指标、降水量距平百分率综合判断小麦缺水状态，在测定土壤相对湿度时，对小麦不同的生长时间段分别计算，准确度高。

Description

一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法及监测设备
技术领域
本发明涉及传感器监测技术领域，尤其涉及一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法及监测设备。
背景技术
传感技术就是传感器的技术，用于感知周围环境或者特殊物质，比如气体感知、光线感知、温湿度感知、人体感知等，把模拟信号转化成数字信号，给中央处理器处理。最终结果形成气体浓度参数、光线强度参数、范围内是否有人探测、温度湿度数据等等，显示出来。
传感技术早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
小麦是小麦系植物的统称，是单子叶植物，是一种在世界各地广泛种植的禾本科植物。小麦生长期间需水量较大，需要稳定的浇水灌溉。干旱胁迫是影响小麦产量的主要因素，任何生长阶段干旱均会对小麦产量造成严重影响，对小麦干旱胁迫及时准确的监测预警，提高灌溉的精确性对保障小麦的丰产稳产具有重要作用。
如中国专利申请号为：CN201110431891.2的专利公布了一种基于生态区尺度的冬小麦干旱风险预警方法，该发明的生态区尺度的干旱预警方法能够提供准确、适用性强的干旱预测预报和预防，通过生态区数据对干旱预警方法进行优化，增加了干旱预警方法的适用性和预测预报的准确性，通过生态区多点的数据分析，对干旱预警方法的数据库进行实时更新，实现干旱预警方法的实时校正和验证，可以实现以生态区为单元尺度的冬小麦干旱的预测预报和预防。但是该发明没有给出一个高效的数据采集系统及采集方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法及监测设备。
本发明解决问题所提供的技术方案如下：
一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，包括如下步骤：
步骤1，布置传感器组件：
在待监测的小麦区域内部，按横向、纵向分别间距1～3km设置并标记监测点点阵，将传感器组件分别布置在标记的点位上，并编号为(i，j)，i为行号， j为列号；
步骤2，测量土壤湿度：
1)采集土壤湿度信息：采用土壤湿度传感器，分别采集监测点土层内10cm、 20cm、30cm处的土壤湿度为W1(i，j)％，W2(i，j)％，W3(i，j)％；
2)分别计算土层内10cm，20cm，30cm的平均土壤湿度，计算式如下：
3)计算土壤相对湿度：
在小麦播种期，以土层内部10cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC1土层内部10cm处的田间持水量(％)；
在小麦苗期，以土层内部20cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC2土层内部20cm处的田间持水量(％)；
在小麦其他生长期，以土层内部,30cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC3土层内部30cm处的田间持水量(％)；
步骤3，测量小麦缺水程度指标：
1)设立参考小麦：在待监测的小麦区域内随即选取5处位置作为参考区，每处参考区面积4m3，分别测量5处参考区内小麦冠层的温度，得到平均温度为 Tm作为实际参考小麦冠层温度；继续在待监测的小麦区域内随即选取5处位置作为参考区，每处参考区面积4m3，充分灌溉，分别测量5处参考区内小麦冠层的温度，计算平均值TMax作为潜在或最大参考小麦冠层温度；
2)测量待监测小麦的冠层温度：采用传感器组件上部的红外温度检测传感器测量各监测点处小麦冠层温度为T(i,j)，并计算待监测的小麦区域内部小麦冠层温度平均值为
3)计算小麦缺水程度指标CWSI：
其中，
步骤4，测量计算降水量距平：
1)测量降水量：采用传感器组件顶部的翻斗式雨量传感器，测量得到降水量数据为P(i,j)，平均降水量为
2)计算降水量距平百分率，计算公式为：
其中，Pm为计算时段同期10年内平均降水量；时，将Pa置为0；
步骤5，计算待监测区小麦干旱程度指数DRG：
DRG＝f1(1-Rsm)+f2CWSI+f3Pa，其中，f1、f2、f3分别为Rsm、CWSI、Pa的权重，f1＝1，f2＝2，f3＝1；
干旱等级评价为：
DRG＜1时，评价为轻度干旱
1＜DRG≤2时，评价为中度干旱；
2＜DRG≤3时，评价为重度干旱；
3＜DRG≤4时，评价为特重度干旱。
进一步地，步骤2中，小麦发育期调节系数a，苗期为1.1，水分临界期为 0.9，其余发育期为1，水分临界期为孕穗至抽穗期间。
进一步地，步骤5中，f1、f2、f3采用层次分析法或专家评定法确定。
一种基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，包括：支撑杆、支撑平台、第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器、红外温度检测传感器、翻斗式雨量传感器，数据采集器，移动数据传输设备，蓄电池；支撑杆下部设有穿刺部，中部设置圆饼状支撑平台，支撑平台以下10cm、20cm、30cm处分别设有第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器；支撑杆顶部设有翻斗式雨量传感器，翻斗式雨量传感器底部设有红外温度检测传感器、数据采集器，移动数据传输设备；第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器、红外温度检测传感器、翻斗式雨量传感器分别连接数据采集器和蓄电池，数据采集器连接移动数据传输设备；移动数据传输设备无线连接云端处理器。
进一步的，第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器采用FDS-100型土壤水分传感器。
进一步的，红外温度检测传感器设置2～3个，沿圆周等间距设置。
进一步的，蓄电池连接太阳能电池板。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，基于传感技术，结合土壤湿度、小麦缺水程度指标、降水量距平百分率综合判断小麦缺水状态，准确度高。
2.本发明所述基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，在测定土壤相对湿度时，对小麦不同的生长时间段分别计算，精确度更高。
3.本发明所述基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，设置太阳能电池板，能够有效提升续航能力，保证长时间运行。
附图说明
图1为本发明所述基于传感技术的小麦干旱程度监测设备的结构示意图。
图中：1-支撑杆、2-支撑平台、3-第一土壤湿度传感器、4-第二土壤湿度传感器、5-第三土壤湿度传感器、6-红外温度检测传感器、7-翻斗式雨量传感器， 8-数据采集器，9-移动数据传输设备，10-蓄电池，11-太阳能电池板。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。
一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，包括如下步骤：
步骤1，布置传感器组件：
在待监测的小麦区域内部，按横向、纵向分别间距1～3km设置并标记监测点点阵，将传感器组件分别布置在标记的点位上，并编号为(i，j)，i为行号， j为列号；
步骤2，测量土壤湿度：
4)采集土壤湿度信息：采用第一土壤湿度传感器3、第二土壤湿度传感器4、第三土壤湿度传感器5，分别采集监测点土层内10cm、20cm、30cm处的土壤湿度为W1(i，j)％，W2(i，j)％，W3(i，j)％；
5)分别计算土层内10cm，20cm，30cm的平均土壤湿度，计算式如下：
6)计算土壤相对湿度：
在小麦播种期，以土层内部10cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC1土层内部10cm处的田间持水量(％)；
在小麦苗期，以土层内部20cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC2土层内部20cm处的田间持水量(％)；
在小麦其他生长期，以土层内部,30cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC3土层内部30cm处的田间持水量(％)；
小麦发育期调节系数a，苗期为1.1，水分临界期为0.9，其余发育期为1，水分临界期为孕穗至抽穗期间。
土壤相对湿度值为0～100％，值越低表示越干旱。
步骤3，测量小麦缺水程度指标：
1)设立参考小麦：在待监测的小麦区域内随即选取5处位置作为参考区，每处参考区面积4m3，分别测量5处参考区内小麦冠层的温度，得到平均温度为 Tm作为实际参考小麦冠层温度；继续在待监测的小麦区域内随即选取5处位置作为参考区，每处参考区面积4m3，充分灌溉，分别测量5处参考区内小麦冠层的温度，计算平均值TMax作为潜在或最大参考小麦冠层温度；
2)测量待监测小麦的冠层温度：采用传感器组件上部的红外温度检测传感器6测量各监测点处小麦冠层温度为T(i,j)，并计算待监测的小麦区域内部小麦冠层温度平均值为
3)计算小麦缺水程度指标CWSI：
其中，实际参考区小麦冠层温度与待监测区小麦冠层温度差潜在或最大参考小麦冠层温度与待监测区小麦冠层温度差
当待监测小麦不缺水时，小麦冠层由于蒸腾作用降温幅度最大，ΔT与ΔTP相同，CWSI值为0％，表示待监测小麦不缺水；当待监测小麦极度缺水时，植株蒸腾作用停止，因蒸腾作用产生的降温越小，ΔT趋近于0，CWSI值趋近于100％，表示待监测小麦蒸腾作用小处于缺水状态。
步骤4，测量计算降水量距平：
1)测量降水量：采用传感器组件顶部的翻斗式雨量传感器7，测量得到降水量数据为P(i,j)，平均降水量为
2)计算降水量距平百分率，计算公式为：
其中，Pm为计算时段同期10年内平均降水量；时，将Pa置为0；
降水量越小，Pa越大，表示越干旱。
步骤5，计算待监测区小麦干旱程度指数DRG：
DRG＝f1(1-Rsm)+f2CWSI+f3Pa，其中，f1、f2、f3分别为Rsm、CWSI、Pa的权重，f1＝1，f2＝2，f3＝1；
进一步地，f1、f2、f3采用层次分析法或专家评定法确定。
干旱等级评价为：
DRG＜1时，评价为轻度干旱
1＜DRG≤2时，评价为中度干旱；
2＜DRG≤3时，评价为重度干旱；
3＜DRG≤4时，评价为特重度干旱；
如图1所示，一种基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，包括：支撑杆1、支撑平台2、第一土壤湿度传感器3、第二土壤湿度传感器4、第三土壤湿度传感器5、红外温度检测传感器6、翻斗式雨量传感器7，数据采集器8，移动数据传输设备9，蓄电池10；支撑杆1下部设有穿刺部，中部设置圆饼状支撑平台2，支撑平台2以下10cm、20cm、30cm处分别设有第一土壤湿度传感器3、第二土壤湿度传感器4、第三土壤湿度传感器5；支撑杆1顶部设有翻斗式雨量传感器7，翻斗式雨量传感器7底部设有红外温度检测传感器6、数据采集器8，移动数据传输设备9，红外温度检测传感器6设置2～3个，沿圆周等间距设置；第一土壤湿度传感器3、第二土壤湿度传感器4、第三土壤湿度传感器5、红外温度检测传感器6、翻斗式雨量传感器7分别连接数据采集器8和蓄电池10，数据采集器8连接移动数据传输设备9；移动数据传输设备9无线连接云端处理器。
进一步的，第一土壤湿度传感器3、第二土壤湿度传感器4、第三土壤湿度传感器5采用FDS-100型土壤水分传感器。
进一步的，蓄电池10连接太阳能电池板11。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，布置传感器组件：
在待监测的小麦区域内部，按横向、纵向分别间距1～3km设置并标记监测点点阵，将传感器组件分别布置在标记的点位上，并编号为(i，j)，i为行号，j为列号；
步骤2，测量土壤湿度：
1)采集土壤湿度信息：采用土壤湿度传感器，分别采集监测点土层内10cm、20cm、30cm处的土壤湿度为W1(i，j)％，W2(i，j)％，W3(i，j)％；
2)分别计算土层内10cm，20cm，30cm的平均土壤湿度，计算式如下：
3)计算土壤相对湿度：
在小麦播种期，以土层内部10cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC1土层内部10cm处的田间持水量(％)；
在小麦苗期，以土层内部20cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC2土层内部20cm处的田间持水量(％)；
在小麦其他生长期，以土层内部,30cm为标准，土壤相对湿度计算式为：
其中，Rsm为土壤相对湿度(％)，a为小麦发育期调节系数，FC3土层内部30cm处的田间持水量(％)；
步骤3，测量小麦缺水程度指标：
1)设立参考小麦：在待监测的小麦区域内随即选取5处位置作为参考区，每处参考区面积4m3，分别测量5处参考区内小麦冠层的温度，得到平均温度为Tm作为实际参考小麦冠层温度；继续在待监测的小麦区域内随即选取5处位置作为参考区，每处参考区面积4m3，充分灌溉，分别测量5处参考区内小麦冠层的温度，计算平均值TMax作为潜在或最大参考小麦冠层温度；
2)测量待监测小麦的冠层温度：采用传感器组件上部的红外温度检测传感器测量各监测点处小麦冠层温度为T(i,j)，并计算待监测的小麦区域内部小麦冠层温度平均值为
3)计算小麦缺水程度指标CWSI：
其中，
步骤4，测量计算降水量距平：
1)测量降水量：采用传感器组件顶部的翻斗式雨量传感器，测量得到降水量数据为P(i,j)，平均降水量为
2)计算降水量距平百分率，计算公式为：
其中，Pm为计算时段同期10年内平均降水量；时，将Pa置为0；
步骤5，计算待监测区小麦干旱程度指数DRG：
DRG＝f1(1-Rsm)+f2CWSI+f3Pa，其中，f1、f2、f3分别为Rsm、CWSI、Pa的权重，f1＝1，f2＝2，f3＝1；
干旱等级评价为：
DRG＜1时，评价为轻度干旱
1＜DRG≤2时，评价为中度干旱；
2＜DRG≤3时，评价为重度干旱；
3＜DRG≤4时，评价为特重度干旱。
2.根据权利要求1所述的一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，其特征在于，步骤2中，小麦发育期调节系数a，苗期为1.1，水分临界期为0.9，其余发育期为1，水分临界期为孕穗至抽穗期间。
3.根据权利要求1所述的一种基于传感技术的小麦干旱程度监测方法，其特征在于，所述步骤5中，f1、f2、f3采用层次分析法或专家评定法确定。
4.应用于权利要求1的一种基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，其特征在于，包括：支撑杆、支撑平台、第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器、红外温度检测传感器、翻斗式雨量传感器，数据采集器，移动数据传输设备，蓄电池；支撑杆下部设有穿刺部，中部设置圆饼状支撑平台，支撑平台以下10cm、20cm、30cm处分别设有第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器；支撑杆顶部设有翻斗式雨量传感器，翻斗式雨量传感器底部设有红外温度检测传感器、数据采集器，移动数据传输设备；第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器、红外温度检测传感器、翻斗式雨量传感器分别连接数据采集器和蓄电池，数据采集器连接移动数据传输设备；移动数据传输设备无线连接云端处理器。
5.根据权利要求4所述的一种基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，其特征在于，所述第一土壤湿度传感器、第二土壤湿度传感器、第三土壤湿度传感器采用FDS-100型土壤水分传感器。
6.根据权利要求4所述的一种基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，其特征在于，所述红外温度检测传感器设置2～3个，沿圆周等间距设置。
7.根据权利要求4所述的一种基于传感技术的小麦干旱程度监测设备，其特征在于，所述蓄电池连接太阳能电池板。
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